Турбина устройство и принцип работы: Принцип работы турбокомпрессора автомобиля — ПроТурбо

Турбины дизельных двигателей – устройство и принцип работы

Запись на услуги

Начало массового производства грузовых машин с турбированным дизельным двигателем началось еще в 80-е годы, с развитием производства тяжёлых промышленных и сельскохозяйственных тракторов.

Дизельные моторы имеют гораздо большую степень сжатия воздуха, а их выхлопные газы – более низкую температуру. Требования к жаропрочности турбины гораздо меньше, а её стоимость и эффективность использования – больше. Турбокомпрессор выполняет задачу по нагнетанию воздуха под давлением в цилиндры мотора. Чем больше будет воздуха, тем больше топлива можно сжечь, что приведет к увеличению мощности двигателя без увеличения объема имеющихся цилиндров.

В нашем автосервисе можно произвести диагностику и ремонт дизельных турбин любых производителей. Специалисты сервиса работают на современном оборудовании (стендах), и имеют большой опыт. Монтаж и демонтаж на месте. Гарантия на работы 2 года.

Типы дизельных компрессоров

• Раздельный компрессор – имеет два сопла для каждой пары цилиндров, и два входа для отработавших газов. Первое сопло предназначено для быстрого реагирования, второе служит для максимальной производительности. В конструкции есть разделенные выпускные каналы. Это сделано для предотвращения перекрытия каналов при выпуске выхлопных газов.
• Компрессор с переменным соплом – турбина с изменяемой геометрией, применяется на моторах с маркировкой TDI от «Фольксваген». Здесь в конструкции имеется 9 подвижных лопастей. Они могут регулировать поток выхлопных газов, что идут к турбине. Угол наклона лопастей – регулируемый, что позволяет согласовать давление нагнетаемого воздуха и скорость движения газов с оборотами ДВС.

Для большей производительности на автомобиль может быть установлено два компрессора. Такие системы получили маркировку «Твин-турбо».

Устанавливаются данные механизмы последовательно.

При этом первая турбина работает на низких оборотах, а вторая на высоких. На V-образных моторах нагнетатели устанавливаются параллельно (на каждый ряд по одной турбине). Как показывает практика, установка двух небольших компрессоров значительно эффективнее, чем применение одного, но большого.

Устройство турбины дизельного двигателя

Турбонаддув имеет конструкцию из двух элементов: турбина и компрессор.

• Турбина состоит из корпуса с ротором внутри. Поскольку все элементы устройства взаимодействуют с газами высокой температуры, они изготавливаются из специальных материалов, невосприимчивых к такому воздействию.
• Компрессор усиливает поступление воздуха в топливную систему. Составные части компрессора находятся в алюминиевом корпусе. Внутри находится ротор, закрепленный на оси турбины. Вращаясь, ротор вбирает воздух: большая скорость вращения приводит к большему количеству попавшего внутрь воздуха. Для набора скорости существует турбина.

Ротор и ось, на которой он закреплен, вращаются в разных направлениях. Частота вращения довольно велика, поэтому элементы плотно прижимаются друг к другу.

Принцип работы дизельной турбины

• Компрессор обеспечивает поступление воздуха из окружающей среды, который смешивается с дизельным топливом и затем направляется в цилиндры
• Топливно-воздушная смесь загорается, начинают двигаться поршни. По ходу этого процесса образуются газы, поступающие в выпускной коллектор
• Скорость движения газов, оказавшихся в корпусе, значительно возрастает. Вступая во взаимодействие с ротором, они приводят его во вращающееся положение
• Вращение передается компрессорному ротору (за это отвечает вал), который снова втягивает новую порцию воздуха

Работа основывается на принципе: чем сильнее вращается ротор, тем больше поступает воздуха, но при этом ротор увеличивает скорость вращения, если количество воздуха возрастает.

Чтобы понять работу турбонаддува, надо уяснить что такое – турбоподхват и турбояма.

• Турбоподхват – ситуация, когда набравший скорость ротор увеличивает поступление воздуха в цилиндры, следствием чего становится повышение мощности двигателя.
• Турбояма – момент небольшой задержки, наблюдаемый в работе турбины при увеличении количества поступившего горючего, что достигается нажатием на педаль газа. Задержка вызвана временем, которое нужно ротору для его разгона газами.
  Крыльчатка турбокомпрессора способна развивать до двухсот тысяч оборотов в минуту, благодаря чему данное устройство отличается большой инерционностью или, говоря иначе, имеет «турбо-яму», которая проявляется при резком нажатии на педаль газа. В этот момент крыльчатка медленно приводится в движение, и приходится некоторое время ждать, чтобы автомобиль начал набирать скорость.
  
  Этот эффект имеет продолжительность всего несколько секунд, но, тем не менее, он не доставляет особого удовольствия при разгоне машины. На сегодняшний день производители смогли устранить эффект «турбо-ямы» путем установки двух перепускных клапанов. Один предназначен для выработанных газов, задача второго состоит в том, чтобы перепускать избыток воздуха в трубопровод турбокомпрессора из впускного коллектора.
  Благодаря этой системе обороты крыльчатки при сбросе газа уменьшаются в замедленном темпе, в то время как при резком нажатии на педаль акселератора происходит поступление воздушной массы в двигатель в полном объеме.

Турбонаддув увеличивает давление отработанных газов за счет более интенсивной работы двигателя. В то же самое время повышается и давление наддува: этот процесс требует контроля и регулировки, поскольку при достижении высоких значений велика вероятность поломки. Функции регулировки давления возложены на клапан, контролем предельно возможных значений занимаются мембрана и пружина с определенными значениями жесткости (когда достигается максимально допустимая величина, мембрана открывает клапан).

Контроль давления при работе турбины

• Компрессор через клапан, дабы снизить давление, сбрасывает лишний забранный воздух;
• Когда давление поступившего воздуха достигает максимально допустимой величины, клапан выпускает газы, и ротор вращается с требуемой скоростью, а компрессор всегда забирает только нужное количество воздуха.

Правила эксплуатации

Чтобы дизельная турбина работала с максимальным КПД и как можно дольше не выходила из строя, нужно придерживаться определенных правил в процессе эксплуатации автомобиля:

• Придерживаться графика замены масла, что позволит не допустить засорения маслопровода абразивами;
• Использовать качественное моторное масло, соответствующее по характеристикам в паспорте двигателя;
• Не трогаться сразу после включения мотора – движок должен быть прогрет;
• Сразу после прекращения движения не выключать двигатель, дав ему хотя бы 10 секунд поработать на холостых оборотах.

Использование двух турбокомпрессоров

Также все чаще стали выпускаться дизельные двигатели с двумя турбинами (Bi-Turbo), что позволяет производителям не только добиваться потрясающий мощности от дизельных автомобилей, но снижать уровень вредных веществ в выхлопе до рекордных значений.

Недавно также стали появляться турбины, которые могут работать, как от электричества, так и традиционно от газа, поступающего из выхлопной системы. Благодаря этому инженеры добились максимальной мощности и крутящего момента при небольших оборотах двигателя.

На некоторые двигатели устанавливается два турбокомпрессора разного размера. Малый турбокомпрессор быстрее набирает обороты, снижая тем самым задержку ускорения, а большой обеспечивает больший наддув при высокой скорости вращения двигателя.

Когда воздух сжимается, он нагревается, а при нагревании воздух расширяется. Поэтому повышение давления от турбокомпрессора происходит в результате нагревания воздуха до его впуска в двигатель. Для того, чтобы увеличить мощность двигателя, необходимо впустить в цилиндр как можно больше молекул воздуха, при этом не обязательно сжимать воздух сильнее.

Дополнительные устройства

Охладитель воздуха или охладитель наддувочного воздуха является дополнительным устройством, которое выглядит как радиатор, только воздух проходит как внутри, так и снаружи охладителя. При впуске воздух проходит через герметичный канал в охладитель, при этом более холодный воздух подается снаружи по ребрам при помощи вентиляторов охлаждения двигателя.

Охладитель увеличивает мощность двигателя, охлаждая сжатый воздух от компрессора перед его подачей в двигатель. Это значит, что если турбокомпрессор сжимает воздух под давлением 7 фунт/дюйм2 (0,5 бар), охладитель осуществит подачу охлажденного воздуха под давлением 7 фунт/дюйм2 (0,5 бар), который является более плотным и содержит больше молекул, чем теплый воздух. Турбокомпрессоры также обладают преимуществом на большой высоте, где плотность воздуха ниже. Обычные двигатели будут работать слабее на большой высоте над уровнем моря, т.к. на каждый ход поршня подаваемая масса воздуха будет меньше. Мощность двигателя с турбокомпрессором также снизится, но менее заметно, т.к. разреженный воздух легче сжимать.

При установке мощного турбокомпрессора на двигатель с впрыском топлива, система может не обеспечить необходимое количество топлива — либо программное обеспечение контроллера не допустит, либо инжекторы и насос не смогут осуществить необходимую подачу. В этом случае необходимо осуществлять уже другие модификации для максимального использования преимуществ турбокомпрессора.

Турбины с изменяемой геометрией (VNT)

Она также известна под названием – трубина с переменным соплом. Данный тип турбины используется в дизельных двигателях. Девять подвижных лопастей, установленных в турбокомпрессоре, регулируют прохождение потока газов к турбине. Увеличение и блокировка потока газов достигается при помощи привода, регулирующего угол наклона девяти лопастей. Скорость потока газов и давление нагнетаемого воздуха согласуются с количеством оборотов двигателя во время изменения угла наклона лопастей.

Некоторые двигатели используют несколько турбокомпрессоров. Возможно использование двух (Твин Турбо), трех или же четырёх. В таких конструкциях они устанавливаются последовательно. Первый используется при низких оборотах, второй при высоких. Также существует схема установки компрессоров, при которой они располагаются параллельно друг другу. Такая система используется на V-образных двигателях. На каждый ряд цилиндров приходится по компрессору.

Вернуться в блог статей

Полезные статьи из блога

• Ремонт неисправностей клапана Вестгейт (WestGate)
• Как заменить или установить новую турбину
• Основные причины поломки турбокомпрессора
• Что такое турбина (турбонаддув) – виды, принцип работы

Паровые турбины

Паровые турбины — принцип работы

Паровые турбины работают следующим образом: пар, образующийся в паровом котле, под высоким давлением, поступает на лопатки турбины. Турбина совершает обороты и вырабатывает механическую энергию, используемую генератором. Генератор производит электричество.

Электрическая мощность паровых турбин зависит от перепада давления пара на входе и выходе установки. Мощность паровых турбин единичной установки достигает 1000 МВт.

В зависимости от характера теплового процесса паровые турбины подразделяются на три группы: конденсационные, теплофикационные и турбины специального назначения. По типу ступеней турбин они классифицируются как активные и реактивные.

Конденсационные паровые турбины

Конденсационные паровые турбины служат для превращения максимально возможной части теплоты пара в механическую работу. Они работают с выпуском (выхлопом) отработавшего пара в конденсатор, в котором поддерживается вакуум (отсюда возникло наименование). Конденсационные турбины бывают стационарными и транспортными.

Стационарные турбины изготавливаются на одном валу с генераторами переменного тока. Такие агрегаты называют турбогенераторами. Тепловые электростанции, на которых установлены конденсационные турбины, называются конденсационными электрическими станциями (КЭС). Основной конечный продукт таких электростанций — электроэнергия. Лишь небольшая часть тепловой энергии используется на собственные нужды электростанции и, иногда, для снабжения теплом близлежащего населённого пункта. Обычно это посёлок энергетиков. Доказано, что чем больше мощность турбогенератора, тем он экономичнее, и тем ниже стоимость 1 кВт установленной мощности. Поэтому на конденсационных электростанциях устанавливаются турбогенераторы повышенной мощности.

Частота вращения ротора стационарного турбогенератора связана с частотой электрического тока 50 Герц. То есть на двухполюсных генераторах 3000 оборотов в минуту, на четырёхполюсных соответственно 1500 оборотов в минуту. Частота электрического тока вырабатываемой энергии является одним из главных показателей качества отпускаемой электроэнергии. Современные технологии позволяют поддерживать частоту вращения с точностью до трёх оборотов. Резкое падение электрической частоты влечёт за собой отключение от сети и аварийный останов энергоблока, в котором наблюдается подобный сбой.

В зависимости от назначения паровые турбины электростанций могут быть базовыми, несущими постоянную основную нагрузку; пиковыми, кратковременно работающими для покрытия пиков нагрузки; турбинами собственных нужд, обеспечивающими потребность электростанции в электроэнергии. От базовых требуется высокая экономичность на нагрузках, близких к полной (около 80 %), от пиковых — возможность быстрого пуска и включения в работу, от турбин собственных нужд — особая надёжность в работе. Все паровые турбины для электростанций рассчитываются на 100 тыс. ч работы (до капитального ремонта).

 

Схема работы конденсационной турбины: Свежий (острый) пар из котельного агрегата (1) по паропроводу (2) попадает на рабочие лопатки паровой турбины (3). При расширении, кинетическая энергия пара превращается в механическую энергию вращения ротора турбины, который расположен на одном валу (4) с электрическим генератором (5). Отработанный пар из турбины направляется в конденсатор (6), в котором, охладившись до состояния воды путём теплообмена с циркуляционной водой (7) пруда-охладителя, градирни или водохранилища по трубопроводу (8) направляется обратно в котельный агрегат при помощи насоса (9). Большая часть полученной энергии используется для генерации электрического тока.

Теплофикационные паровые турбины

Теплофикационные паровые турбины служат для одновременного получения электрической и тепловой энергии. Но основной конечный продукт таких турбин — тепло. Тепловые электростанции, на которых установлены теплофикационные паровые турбины, называются теплоэлектроцентралями (ТЭЦ). К теплофикационным паровым турбинам относятся турбины с противодавлением, с регулируемым отбором пара, а также с отбором и противодавлением.

У турбин с противодавлением весь отработавший пар используется для технологических целей (варка, сушка, отопление). Электрическая мощность, развиваемая турбоагрегатом с такой паровой турбиной, зависит от потребности производства или отопительной системы в греющем паре и меняется вместе с ней. Поэтому турбоагрегат с противодавлением обычно работает параллельно с конденсационной турбиной или электросетью, которые покрывают возникающий дефицит в электроэнергии.

В турбинах с регулируемым отбором часть пара отводится из 1 или 2 промежуточных ступеней, а остальной пар идёт в конденсатор. Давление отбираемого пара поддерживается в заданных пределах системой регулирования. Место отбора (ступень турбины) выбирают в зависимости от нужных параметров пара.

У турбин с отбором и противодавлением часть пара отводится из 1 или 2 промежуточных ступеней, а весь отработавший пар направляется из выпускного патрубка в отопительную систему или к сетевым подогревателям.

Схема работы теплофикационной турбины: Свежий (острый) пар из котельного агрегата (1) по паропроводу (2) направляется на рабочие лопатки цилиндра высокого давления (ЦВД) паровой турбины (3). При расширении, кинетическая энергия пара преобразуется в механическую энергию вращения ротора турбины, который соединен с валом (4) электрического генератора (5). В процессе расширения пара из цилиндров среднего давления производятся теплофикационные отборы, и из них пар направляется в подогреватели (6) сетевой воды (7). Отработанный пар из последней ступени попадает в конденсатор, где и происходит его конденсация, а затем по трубопроводу (8) направляется обратно в котельный агрегат при помощи насоса (9). Большая часть тепла, полученного в котле используется для подогрева сетевой воды.

Паровые турбины специального назначения

Паровые турбины специального назначения обычно работают на технологическом тепле металлургических, машиностроительных, и химических предприятий. К ним относятся турбины мятого (дросселированного) пара, турбины двух давлений и предвключённые (форшальт).

• Турбины мятого пара используют отработавший пар поршневых машин, паровых молотов и прессов, имеющих давление немного выше атмосферного.
• Турбины двух давлений работают как на свежем, так и на отработавшем паре паровых механизмов, подводимом в одну из промежуточных ступеней.
• Предвключённые турбины представляют собой агрегаты с высоким начальным давлением и высоким противодавлением; весь отработавший пар этих турбин направляют в другие с более низким начальным давлением пара. Необходимость в предвключённых турбинах возникает при модернизации электростанций, связанной с установкой паровых котлов более высокого давления, на которое не рассчитаны ранее установленные на электростанции турбоагрегаты.
• Также к турбинам специального назначения относятся и приводные турбины различных агрегатов, требующих высокой мощности привода. Например, питательные насосы мощных энергоблоков электростанций, нагнетатели и компрессоры газокомпрессорных станций и т. д.

Обычно стационарные паровые турбины имеют нерегулируемые отборы пара из ступеней давления для регенеративного подогрева питательной воды. Паровые турбины специального назначения не строят сериями, как конденсационные и теплофикационные, а в большинстве случаев изготовляют по отдельным заказам.

Паровые турбины — преимущества

• работа паровых турбин возможна на различных видах топлива: газообразное, жидкое, твердое
• высокая единичная мощность
• свободный выбор теплоносителя
• широкий диапазон мощностей
• внушительный ресурс паровых турбин

Паровые турбины — недостатки

• высокая инерционность паровых установок (долгое время пуска и останова)
• дороговизна паровых турбин
• низкий объем производимого электричества, в соотношении с объемом тепловой энергии
• дорогостоящий ремонт паровых турбин
• снижение экологических показателей, в случае использования тяжелых мазутов и твердого топлива

Как работают ветряные турбины? | Блог

Корпорация Ball удовлетворяет половину своих текущих энергетических потребностей США за счет энергии ветра.

 

Что такое энергия ветра?

Люди использовали силу ветра тысячи лет. Ветер двигал лодки по реке Нил, перекачивал воду и перемалывал зерно, поддерживал производство продуктов питания и многое другое. Сегодня кинетическая энергия и мощность естественных воздушных потоков, называемых ветром, широко используются для производства электроэнергии. Одна современная оффшорная ветряная турбина может генерировать более 8 мегаватт (МВт) энергии, что достаточно для чистого питания почти шести домов в течение года. Береговые ветряные электростанции вырабатывают сотни мегаватт, что делает энергию ветра одним из самых рентабельных, чистых и доступных источников энергии на планете.

Энергия ветра – самый дешевый крупномасштабный возобновляемый источник энергии, а также самый крупный источник возобновляемой энергии в США на сегодняшний день. В стране насчитывается около 60 000 ветряных турбин общей мощностью 105 583 мегаватт (МВт). Этого достаточно для электроснабжения более 32 миллионов домов!

График совокупной ветровой мощности в США, данные предоставлены Американской ассоциацией ветроэнергетики (AWEA). .

Преимущества ветровой энергии:

1.   Ветряные турбины обычно возмещают выбросы углерода в течение всего срока службы, связанные с их развертыванием, менее чем за год, прежде чем обеспечить до 30 лет практически безуглеродного производства электроэнергии.
2. Энергия ветра помогает сократить выбросы углекислого газа — в 2018 году удалось избежать выбросов CO2 на 201 миллион метрических тонн.
3. Энергия ветра обеспечивает налоговые поступления сообществам, в которых реализуются проекты. Например, государственные и местные налоговые платежи от ветровых проектов в Техасе составили 237 миллионов долларов.
4. Ветроэнергетика способствует созданию рабочих мест, особенно во время строительства. В 2018 году в отрасли было создано 114 000 рабочих мест в США.
5. Энергия ветра обеспечивает стабильный дополнительный источник дохода: проекты ветровой энергии ежегодно приносят более 1 миллиарда долларов правительствам штатов и местным органам власти, а также частным землевладельцам.

 

Как выглядит проект ветроэнергетики?

Ветроэнергетический проект или ферма относится к большому количеству ветряных турбин, которые построены близко друг к другу и функционируют подобно электростанции, посылая электроэнергию в сеть.

Фотография ветряных турбин в рамках проекта Frontier Windpower II в Оклахоме

Проект Frontier Windpower I в округе Кей, штат Оклахома, работает с 2016 года и расширяется за счет проекта Frontier Windpower II. После завершения строительства Frontier I и II будут генерировать в общей сложности 550 мегаватт энергии ветра — этого достаточно для питания 193 000 домов.

Как работают ветряные турбины?

Схема компонентов стандартной ветровой турбины

Электроэнергия вырабатывается вращающимися ветряными турбинами, использующими кинетическую энергию движущегося воздуха, которая преобразуется в электричество. Основная идея заключается в том, что ветряные турбины используют лопасти для сбора потенциальной и кинетической энергии ветра. Ветер вращает лопасти, которые раскручивают ротор, соединенный с генератором для выработки электроэнергии.

Большинство ветряных турбин состоят из четырех основных частей:

 

• Лопасти прикреплены к ступице, которая вращается вместе с лопастями. Лопасти и ступица вместе образуют ротор.
• В гондоле находится редуктор, генератор и электрические компоненты.\
• Башня удерживает лопасти ротора и генерирующее оборудование высоко над землей.
• Фундамент удерживает турбину на земле.

 

Типы ветряных турбин:

Большие и малые турбины делятся на две основные категории в зависимости от ориентации ротора: турбины с горизонтальной осью и турбины с вертикальной осью.

Турбины с горизонтальной осью на сегодняшний день являются наиболее часто используемым типом ветряных турбин. Этот тип турбины приходит на ум при представлении энергии ветра, с лопастями, очень похожими на пропеллер самолета. Большинство этих турбин имеют три лопасти, и чем выше турбина и длиннее лопасть, тем больше электроэнергии вырабатывается.

Турбины с вертикальной осью больше похожи на взбивалку, чем на пропеллер самолета. Лопасти этих турбин прикреплены как вверху, так и внизу вертикального ротора. Поскольку турбины с вертикальной осью работают не так хорошо, как их горизонтальные аналоги, сегодня они встречаются гораздо реже.

Сколько электроэнергии производит турбина?

Это зависит. Размер турбины и скорость ветра, проходящего через лопасти ротора, определяют количество производимой электроэнергии.

За последнее десятилетие ветряные турбины стали выше, что позволило использовать более длинные лопасти и получить возможность использовать лучшие ветровые ресурсы, доступные на больших высотах.

Для сравнения: ветряная турбина мощностью около 1 мегаватта может производить достаточно чистой энергии примерно для 300 домов в год. Ветряные турбины, используемые на наземных ветряных электростанциях, обычно генерируют от 1 до почти 5 мегаватт. Скорость ветра обычно должна составлять примерно 9 миль в час или более, чтобы большинство ветряных турбин коммунального назначения начали производить электроэнергию.

Каждый тип ветряной турбины способен генерировать максимальную мощность в диапазоне скоростей ветра, часто между 30 и 55 милями в час. Однако, если ветер дует меньше, производство обычно уменьшается экспоненциально, а не останавливается полностью. Например, количество генерируемой энергии уменьшается в восемь раз, если скорость ветра падает вдвое.

Кто занимается обслуживанием ветряных турбин?

Высококвалифицированные ветротехники из Duke Energy Renewables поднимаются на сотни футов для обслуживания турбин

Что происходит, когда возникает неисправность в высокой ветряной турбине? Ветротехники, такие как Рене Лопес и его товарищи по команде Duke Energy Renewables, поднимаются на вершину, чтобы быстро и безопасно починить ее.

Рене говорит, что, неся около 45 фунтов снаряжения и инструментов, опытным техникам может потребоваться 20 или более минут, чтобы добраться до гондолы, которая находится на высоте 300 футов в верхней части ветряной турбины.

Рене Лопес, техник по ветру в Duke Energy Renewables

Техник по ветру отвечает за поиск и устранение неисправностей и ремонт электроники и механизмов, обеспечивающих вращение лопастей. Каждый технический специалист проходит как минимум двухлетнюю техническую программу для получения сертификата, а затем проходит более 50 часов обучения, прежде чем его назначают на должность в полевых условиях. Безопасность также является постоянным и ежедневным вниманием к работе, потому что подъем на гондолу турбины может быть опасным. В Duke Energy Renewables практикуется, документируется и анализируется строгий режим безопасности, чтобы гарантировать, что безопасность остается главным приоритетом.

При надлежащем обучении технические специалисты также могут использовать дроны, чтобы упростить и сделать более безопасным осмотр высотного оборудования. Дроны могут приближать оборудование, что облегчает обнаружение небольших дефектов, таких как трещины на ветряной турбине, и снижает необходимость для техников взбираться на турбины и спускаться по лопастям. Это может быть особенно полезно, когда дороги мокрые или непроходимые.

Стоит ли рассматривать решения для ветроэнергетики?

Производство энергии ветром остается одним из наименьших углеродных следов из всех источников энергии. Он играет важную роль в будущем энергоснабжения нашей страны, поддерживая энергетический переход нашего мира и растущий спрос на устойчивые энергетические ресурсы.

Ветер также является одним из лучших способов для корпораций, университетов, городов, коммунальных служб и других организаций быстро перейти на безэмиссионную энергию в масштабе. Одно соглашение о покупке виртуальной энергии (VPPA) может обеспечить от десятков до сотен мегаватт чистой нулевой электроэнергии на срок от 10 до 25 лет. В большинстве соглашений также ставится отметка о дополнительности, что означает чистые новые источники экологически чистой энергии, замещающие потенциально старые источники энергии с более высоким уровнем выбросов.

Где лучше всего разместить проект ветроэнергетики?

Существует шесть основных соображений для проектов в области ветроэнергетики:

• Наличие ветра и желаемые местоположения
• Воздействие на окружающую среду
• Вклад сообщества и местные потребности в производстве возобновляемой энергии
• Благоприятная политика на уровне штатов и на федеральном уровне
• Доступность земли
• Возможность подключения к электросети

Как и в случае с коммерческими солнечными фотоэлектрическими проектами, перед запуском ветроэнергетической установки необходимо получить разрешения. Этот важный шаг поможет определить, является ли проект финансово жизнеспособным и имеет ли он благоприятный профиль рисков. В конце концов, цель состоит в том, чтобы коммерческие ветровые проекты доставляли электроны в сеть на десятилетия вперед. Обеспечение финансовой устойчивости строителя И проекта обеспечит успех для поколения или более.

Турбина. Компоненты, типы и принцип работы. Инженерные исследования

Содержание

Турбина представляет собой механическое вращающееся устройство, преобразующее потенциал жидкости и кинетическую энергию в механическую энергию. Это первичный двигатель, преобразующий энергию рабочего тела в механическую энергию вала турбины. Затем вал используется для привода других механизмов с использованием редукторов для выполнения полезной работы.

Основными компонентами турбины являются следующие:

i) Сопло: Направляет поток пара, воды или других жидкостей в заданном направлении и с заданной скоростью.

ii) Рабочее колесо: Рабочее колесо — это вращающийся компонент турбины, к которому прикреплены лопасти.

iii) Лопасти: Часть турбины, где быстро движущаяся жидкость сталкивается с рабочим колесом, вызывая вращение.

iv) Корпус: Внешнее воздухонепроницаемое покрытие турбины – рабочее колесо и лопатки. Он защищает внутренние компоненты турбины.

Концепция работы турбины заключается в том, что лопасти начинают двигаться для выработки энергии вращения, как только любая жидкость попадает в ротор турбины или крыльчатку. Генераторы напрямую соединяют вал ротора турбины с выходным валом для преобразования механической энергии в электричество. Ротор и лопасти турбины извлекают энергию из движущихся жидкостей. КПД турбины зависит от конструкции лопатки. Поэтому конструкция лопастей имеет решающее значение для эффективности турбины.

1. Водяная турбина:

Рис. 1: Водяная турбина

Предоставлено: engineeringlearn. com

Водяные турбины — это турбины, установленные на гидроэлектростанциях. Водяную турбину можно установить после огромной трубы, называемой водоводом. Высота плотины оказывает большое влияние на давление воды в этом случае, так как чем выше плотина, тем больше давление.

Как только турбина будет установлена ​​на конце трубы, значительное давление воды соприкоснется с лопастями и заставит турбину вращаться. Эта водяная турбина напрямую связана с генератором. Электрический генератор преобразует механическую энергию водяной турбины в электричество, как только они начинают вращаться. Сила и скорость воды сильно влияют на форму лопастей турбины.

Водяные турбины подразделяются на два типа:

i) Импульсная турбина: Рис. 2: Импульсная турбина
Предоставлено: engihub.com и рабочее колесо турбины находится под атмосферным давлением. Жидкость распыляется на лопасти вращающегося рабочего колеса для обмена энергией с турбиной. Струйные сопла или ряд сопел направляют высокоскоростной поток на лопасти, которые часто имеют форму ведра или чашки. Из-за этого в форсунках происходит только изменение давления. Целью изогнутых лопастей является изменение скорости потока.

В соответствии с законом преобразования энергии удар приводит в движение лопасти турбины. Второе правило движения Ньютона гласит, что сила, создаваемая движением жидкости, зависит от двух факторов: массы жидкости, поступающей в турбину, и изменения скорости жидкости между входом и выходом турбины. Поскольку масса жидкости не меняется, при расчете силы бегуна учитываются только изменения скорости.

ii) Реакционная турбина: Рис. 3: Реакционная турбина
Предоставлено: studentlesson.com

Крутящий момент реактивной турбины создается реакцией на давление или вес жидкости. Согласно третьему закону движения Ньютона можно объяснить работу реактивных турбин (действие и противодействие равны и противоположны). Сопла реактивной турбины крепятся к ротору, в отличие от импульсных турбин.

Когда жидкость выходит из сопла на высокой скорости, трубы создают реактивную силу, которая заставляет ротор двигаться в направлении, противоположном направлению жидкости. Важно отметить, что на поток жидкости влияют лопасти ротора, когда она проходит через них.

При работе с водой требуется герметичная створка, чтобы не допустить всасывания из отсасывающей трубы и утечки рабочей жидкости. Вместо этого при отсутствии кожуха турбина должна быть полностью погружена в поток жидкости, как в случае с ветряными турбинами. Два основных типа паровых турбин используют реактивные турбины: турбина Фрэнсиса и турбина Каплана

2. Ветряная турбина: рис. 4: Ветряная турбина
Предоставлено: udel.edu

Энергия ветра может быть преобразована в электрическую энергию с помощью ветряной турбины. Эти турбины доступны в различных размерах, с вертикальной или горизонтальной осью. Ветряные турбины экологичны, долговечны и недороги.

Ротор этой турбины состоит из трех отдельных частей. Когда лопасти соприкасаются с воздухом, они начинают вращаться. Меньшие ветряные турбины в основном используются для зарядки аккумуляторов караванов, лодок и дорожных предупреждающих знаков.

Ветряные турбины используют аэродинамическую силу лопастей ротора, которые работают как крылья самолета или лопасти винта вертолета, для преобразования энергии ветра в электричество. Одна сторона лопасти испытывает падение давления воздуха из-за ветра. Подъемная сила и сопротивление вызваны асимметричным распределением давления воздуха на лопасти. Подъемная сила больше силы сопротивления, которая заставляет ротор вращаться.

Ротор крепится к генератору в турбине или редукторе с прямым приводом, что позволяет сделать генератор меньше и компактнее. Аэродинамическая сила преобразуется во вращательное движение в электродвигателе для выработки электроэнергии.

Существует два типа ветряных турбин: i) ветряная турбина с горизонтальной осью и ii) ветряная турбина с вертикальной осью.

i) Ветряная турбина с горизонтальной осью: Рис. 5: Ветряная турбина с горизонтальной осью
Предоставлено: archiexpo.com

Ветряные турбины с фиксированным горизонтальным главным валом отличаются от тех, которые вращаются вертикально в небе. Как следует из названия, ось вращения горизонтального ветряка расположена горизонтально по отношению к земле. Большие ветряные турбины с горизонтальной осью производят большую часть мировой ветровой энергии с тремя лопастями, окружающими башню.

Эти турбинные башни имеют валы генератора и ротора, которые должны быть обращены к ветру в противоположном направлении. Ветряные турбины с горизонтальной осью мощностью от 100 Вт до 100 кВт могут быть различной мощности. Как правило, они располагаются в ветреных условиях, когда поток и направление ветра достаточно стабильны, чтобы максимизировать мощность ветра, которую они могут генерировать.

ii )  Ветряная турбина с вертикальной осью: Рис. 6: Ветряная турбина с вертикальной осью

Ветряные турбины с лопастями с вертикальной осью являются наиболее известным и широко используемым типом. Перпендикулярно земле основной вал ветряной турбины с вертикальной осью закреплен постоянно. Кроме того, днище турбины содержит несколько важных компонентов. Ось вращения ветродвигателя с вертикальной осью параллельна земле.

Для эффективной работы турбину не нужно поворачивать по направлению ветра. В этих турбинах первичный редуктор и редуктор могут быть расположены ближе к земле, что упрощает техническое обслуживание. Этот тип ветряной турбины имеет значительно больше изношенных компонентов коробки передач, чем ветряные турбины с горизонтальной осью.

С другой стороны, у этого типа ветряных турбин есть существенный недостаток: они производят в среднем меньше энергии, чем ветряные турбины с горизонтальной осью. Ветряные турбины с вертикальной осью специально разработаны, чтобы быть экономичными, практичными, эффективными и бесшумными. Вот почему они так популярны. Жители могут использовать эти ветряные турбины в своих домах.

3. Паровая турбина: рис. 7: Паровая турбина
Предоставлено: ge.com

В паровой турбине тепловая энергия пара преобразуется в механическую работу. Конструкция паровой турбины чрезвычайно проста. В турбине отсутствуют шток поршня, маховик или золотниковые клапаны. В результате его легко поддерживать.

При вращении к центру ротора прикреплен вал, который создает тягу при движении всего узла. Вал ротора соединен с паротурбинным генератором, электрогенератором. Турбогенератор улавливает и преобразует механическую энергию вала в электрическую энергию.

Эффективность паротурбинного генератора также можно повысить за счет использования паровой турбины. Использование паровой турбины основано на динамическом воздействии пара для выполнения своей работы. Высокоскоростной пар из сопел попадает на вращающиеся лопасти на диске, установленном на валу, заставляя их вращаться.

Динамическое давление на лопасти создается за счет этого быстрого пара, заставляющего вал и лопасти вращаться в одном направлении. По своей сути энергия давления, извлекаемая из пара, преобразуется в кинетическую энергию, позволяя ей течь через сопла в турбине.

Паротурбинный генератор выступает посредником между ротором и лопастями ротора, преобразовывая для них кинетическую энергию в механическую работу. Электрическая энергия вырабатывается путем превращения ротора в механическую энергию и последующего ее преобразования. Вибрация паровой турбины при той же частоте вращения меньше из-за ее простой конструкции. Для увеличения скорости турбины используются различные системы управления.

4. Газовая турбина: рис. 8: Газовая турбина
Предоставлено: ansys.com

Этот процесс известен как цикл Брайтона, когда сжатый газ используется для вращения газовой турбины для выработки электроэнергии или обеспечения кинетической энергии для самолета или струи. При использовании современной газовой турбины топливом для производства газа может быть керосин, природный газ, топливо для реактивных двигателей или пропан. При сгорании топлива выделяется тепло, которое расширяет воздух и приводит в действие газовую турбину, производя полезную энергию.

В эти турбины входят компрессор, камера сгорания, турбина, редуктор, выходной вал и выхлоп. Компрессор начинает с сжатия и использования окружающего воздуха. Топливо воспламеняется в камере сгорания, смешиваясь с воздухом.

При расширении турбина преобразует кинетическую энергию высокоскоростного газа во вращательную силу. Газ с низким уровнем выбросов из турбинной секции направляется через редуктор и выходной вал, который подает энергию вращения на приводимое оборудование.

Преимущества различных типов турбин следующие:

• Водяные турбины имеют много преимуществ, в том числе тот факт, что это чистый и не загрязняющий окружающую среду источник энергии, что он не требует топлива, а вода источник энергии.
• Энергия, вырабатываемая ветряными турбинами, является чистой и возобновляемой, а также дешевле в эксплуатации и занимает меньше земли, чем другие виды производства энергии.
• К достоинствам паровых турбин относятся их высокая надежность, низкий уровень вибрации, низкие требования к массовому расходу, высокое отношение мощности к весу и высокий тепловой КПД, и это лишь некоторые из их многочисленных характеристик.
• Среди многих преимуществ газовых турбин следует отметить их длительный срок службы, низкие требования к техническому обслуживанию, энергоэффективность, низкий уровень шума и незначительное воздействие на окружающую среду.

Недостатки различных типов турбин следующие:

• Водяные турбины имеют несколько недостатков, в том числе небольшие резервуары, высокие затраты, перемещение людей и воздействие на окружающую среду.
• Использование паровой турбины имеет много недостатков, таких как длительное время запуска, высокая стоимость и медленное время отклика.
• К преимуществам ветряной турбины можно отнести то, что она производит много шума, воздействует на окружающую среду, может быть размещена только в определенных местах, работает с перебоями и так далее.
• Газовые турбины имеют много преимуществ, в том числе более низкую эффективность установки и ограниченное использование в конфигурациях с комбинированным циклом.

• На гидроэлектростанциях используются водяные турбины.
• Высоконапорные гидроэлектростанции обычно используют импульсную турбину.
• Электроэнергия вырабатывается с помощью турбины реактивного типа на ветряных электростанциях.
• Ветряные турбины можно найти в местах, где ветер постоянный и сильный, например, на округлых холмах, вдоль побережья, на открытых равнинах и в горных ущельях, в то время как большие ветряные турбины могут обеспечить мощность от 100 кВт до МВт для сетка.
• Паровые турбины используются в различных средних и крупных отраслях промышленности, включая химические заводы, очистные сооружения, нефтяные, газовые и сахарные заводы.
• Газовая турбина представляет собой двигатель внутреннего сгорания, который вырабатывает электроэнергию на электростанциях и приводит в движение самолеты и вертолеты.

Заключение:

Турбина представляет собой механическое устройство, преобразующее энергию пара, текущей воды, ветра и газа в механическую энергию для питания электрогенератора. Затем энергия преобразуется из механической в ​​электрическую с помощью этого генератора. Эта комбинация известна как генераторная установка на гидроэлектростанциях.

Различные типы турбин классифицируются на основе различных факторов. Исследования эффективности турбин и роторов все еще продолжаются из-за множества применений турбины в различных технологиях.

Часто задаваемые вопросы:

1. Для чего нужна турбина?

Основное назначение турбины — превращать доступную энергию в жидкость, которая поступает в нее для выработки электроэнергии. Во время своего замысла турбина расширяла поступающие в нее жидкости, уменьшая их давление или даже их внутреннюю мощность.

2. Почему в турбинах используется пар высокого давления?

Турбина высокого давления чрезвычайно эффективна и компактна, но для ее работы требуется пар высокого давления, заставляющий пар проталкиваться через сопла. Лопасти турбины были поражены высокоскоростным паром, чтобы создать вращение.

3. Как повысить КПД турбины?

Охлаждение воздуха, поступающего в газовую турбину, может повысить ее эффективность. В теплых, сухих районах это очень полезно. Используя испарительное охлаждение для доведения впускного воздуха до температуры смоченного термометра, охлаждение впускного воздуха турбины может значительно повысить эффективность использования топлива за счет снижения (или даже устранения) расхода топлива.

4. Почему турбины более эффективны при более высоких температурах?

Повышение температуры приводит к увеличению потребности в охлаждающем воздухе в газовых турбинах с воздушным охлаждением.